孫岳陽(yáng),胡少偉,喬艷敏,陸 俊,胡登興

(1.南京水利科學(xué)研究院 材料結(jié)構(gòu)研究所,南京 210024； 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,南京 210024；3.寧夏青龍管業(yè)股份有限公司,銀川 750004)

我國(guó)在20世紀(jì)80年代從國(guó)外引進(jìn)預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，該管型已廣泛應(yīng)用于我國(guó)各大市政、電力、水利等工程項(xiàng)目中.但是，近年來(lái)PCCP發(fā)生破壞的事故也屢見(jiàn)不鮮，主要原因集中反映在以下三點(diǎn)：1)高強(qiáng)鋼絲的脆化斷裂，PCCP主要使用光圓的1 570 MPa高強(qiáng)鋼絲，是鋼盤(pán)條經(jīng)反復(fù)拉拔而成，鋼的柔韌性能大幅下降，而脆性增加，氫脆指標(biāo)難以合格，使用幾年后易出現(xiàn)脆化斷裂，嚴(yán)重影響管道的安全運(yùn)行和使用壽命[1]；2)保護(hù)層的空鼓裂縫，PCCP保護(hù)層采用輥射的砂漿保護(hù)層，厚度較薄，一般25 mm左右，吸水率較難合格，與較細(xì)光面高強(qiáng)鋼絲的粘結(jié)力較差，易產(chǎn)生空鼓裂縫，從而腐蝕介質(zhì)進(jìn)入加速鋼絲的腐蝕；3)砂漿保護(hù)層的承載能力被高估，參考JGJ/T 98—2010《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]，水泥砂漿和預(yù)拌砌筑砂漿的強(qiáng)度等級(jí)最高為M30，而國(guó)內(nèi)外的PCCP相關(guān)規(guī)范規(guī)程中均要求保護(hù)層砂漿的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不低于45 MPa，遠(yuǎn)大于M30和M15，強(qiáng)度難以滿(mǎn)足，設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算校核雖然通過(guò)，但是往往忽略了實(shí)際砂漿強(qiáng)度不足帶來(lái)的PCCP保護(hù)層先天隱蔽性缺陷[3].這些問(wèn)題嚴(yán)重影響了PCCP的正常運(yùn)行，必須研發(fā)性能更加優(yōu)越的新產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足輸調(diào)水工程建設(shè)要求.

鋼筋纏繞鋼筒混凝土壓力管(Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe，BCCP)就是針對(duì)解決上述PCCP的三個(gè)問(wèn)題而研發(fā)的新產(chǎn)品，是由帶鋼筒的高強(qiáng)混凝土管芯在纏繞預(yù)應(yīng)力鋼筋后，再澆注細(xì)石混凝土保護(hù)層制成的新型復(fù)合管材，結(jié)構(gòu)如圖1所示.同樣，BCCP根據(jù)鋼筒位置分為內(nèi)襯式和埋置式[4].內(nèi)襯式(BCCP-L)，在鋼筒內(nèi)部澆筑混凝土形成管芯，鋼筒外纏繞預(yù)應(yīng)力鋼筋，再澆筑細(xì)石混凝土保護(hù)層；埋置式(BCCP-E)，將鋼筒埋置于混凝土內(nèi)跟混凝土一起形成管芯，然后在管芯外纏繞預(yù)應(yīng)力鋼筋，再澆筑細(xì)石混凝土保護(hù)層.與PCCP相比，BCCP有以下兩個(gè)特點(diǎn)：1)使用較粗的冷軋帶肋預(yù)應(yīng)力鋼筋，鋼筋應(yīng)力等級(jí)低，屈服強(qiáng)度為650 MPa或970 MPa，克服了PCCP中1 570 MPa高強(qiáng)鋼絲的應(yīng)力脆化問(wèn)題[5]；2)在帶肋鋼筋上澆筑C50細(xì)石混凝土保護(hù)層，相比PCCP中使用的砂漿保護(hù)層，具有更密實(shí)、高強(qiáng)、抗拉、防腐的優(yōu)越性能.

圖1 BCCP結(jié)構(gòu)示意

在上個(gè)世紀(jì)，Rose[6]、Zarghamee[7-8]和Tremblay[9]等國(guó)外學(xué)者對(duì)PCCP進(jìn)行試驗(yàn)研究，揭示了PCCP的內(nèi)水壓承載機(jī)理.PCCP引進(jìn)我國(guó)后，胡少偉[10-12]、竇鐵生[13-15]等學(xué)者通過(guò)原型試驗(yàn)與數(shù)值仿真對(duì)PCCP在不同荷載作用下的承載能力和破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，取得了很大的進(jìn)展.但是BCCP在預(yù)應(yīng)力鋼筋和保護(hù)層上與PCCP有明顯的不同，如果直接使用相關(guān)規(guī)范中的計(jì)算公式，則計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果偏差較大.為此本文對(duì)BCCP原型管進(jìn)行了內(nèi)水壓承載能力研究，以期揭示BCCP在內(nèi)水壓作用下的承載破壞規(guī)律，為BCCP進(jìn)一步在輸調(diào)水工程中的推廣使用提供依據(jù).

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

BCCP試驗(yàn)試件的制作是在寧夏青龍管業(yè)股份有限公司生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)完成，嚴(yán)格按規(guī)范制作，具體制作過(guò)程如下：承插口接頭制作，鋼筒制作，管芯混凝土澆筑，預(yù)應(yīng)力鋼筋纏繞，混凝土保護(hù)層澆筑.試驗(yàn)管選擇了三種管徑：1 400 mm、1 600 mm和1 800 mm，均為埋置式(BCCP-E)，三種管徑的BCCP試驗(yàn)管設(shè)計(jì)工壓都為1.0 MPa.本文選取管徑1 800 mm的BCCP為主要研究對(duì)象，因?yàn)閮H有該管在生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)先在鋼筒上布置了應(yīng)變片，且該管所加載的內(nèi)水壓為最高，而管徑1 400 mm和1 600 mm的試驗(yàn)管僅加載至管身保護(hù)層開(kāi)裂后即停止加壓.

1.1 幾何尺寸及材料參數(shù)

管芯和保護(hù)層均采用C50混凝土澆筑，其彈性模量和抗拉強(qiáng)度取值根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算[17-18]，鋼筒和鋼筋的彈性模量則采用常規(guī)取值[19]，各管徑幾何尺寸及材料力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1、2.

(1)

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)水壓是均勻施加于管道內(nèi)壁的，且管道截面沿管長(zhǎng)方向一致.所以在內(nèi)水壓作用下，BCCP受力可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題來(lái)分析[20]，即各層結(jié)構(gòu)只在截面的徑向和環(huán)向方向發(fā)生變形.為了獲得更多有效的數(shù)據(jù)，在BCCP制作過(guò)程中預(yù)先在鋼筒外壁布置電阻應(yīng)變片.在靠近承、插口端10 cm處各布置兩個(gè)環(huán)向應(yīng)變片，分別為C-1、C-2、C-3和C-4，然后在靠近管端1.5 m和3.0 m處設(shè)置3個(gè)斷面，每個(gè)斷面上布置一個(gè)環(huán)向應(yīng)變片，分別為C-5、C-6和C-7，具體的測(cè)點(diǎn)布置編號(hào)如圖2所示.

表1 BCCP幾何尺寸

表2 BCCP材料力學(xué)參數(shù)

圖2 鋼筒應(yīng)變片布置

為了準(zhǔn)確掌握預(yù)應(yīng)力鋼筋在承載過(guò)程中的應(yīng)變情況，試驗(yàn)管保護(hù)層澆筑完成后，在靠近管端1.5 m和管中3.0 m處設(shè)置3個(gè)斷面，找專(zhuān)業(yè)人員鑿開(kāi)需要測(cè)試位置的混凝土保護(hù)層，每個(gè)斷面上布置一個(gè)環(huán)向應(yīng)變片，由插口往承口方向編號(hào)分別為S-1、S-2和S-3，具體的測(cè)點(diǎn)布置編號(hào)如圖3所示.

圖3 鋼筋應(yīng)變片布置

另外，在承插口兩端，以及靠近管端1.5 m和管中3.0 m處共設(shè)置5個(gè)斷面，在每個(gè)斷面對(duì)稱(chēng)位置選取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)布置保護(hù)層環(huán)向應(yīng)變片，以測(cè)得BCCP承受內(nèi)水壓過(guò)程中細(xì)石混凝土保護(hù)層的受力變化規(guī)律，應(yīng)變片編號(hào)分別為P-1、P-2、……、P-10，如圖4所示.

圖4 混凝土保護(hù)層應(yīng)變片布置

1.3 試驗(yàn)裝置及加載制度

試驗(yàn)是在寧夏青龍管業(yè)BCCP生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)完成，內(nèi)水壓采用立式的套筒裝置施加，如圖5所示，在套筒與BCCP內(nèi)表面之間有一個(gè)加壓空腔，用加壓泵將水注入加壓空腔內(nèi)，管兩端的徑向約束方式與實(shí)際埋置管一致，試驗(yàn)管上端為插口，采用雙橡膠圈與試驗(yàn)裝置處的承口頂座連接，試驗(yàn)管下端為承口，也與帶有兩橡膠圈的插口底座連接，為了保證密封性，防止漏水，裝置四周采用固定桿連接頂座和底座.

圖5 立式內(nèi)水壓試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用油壓系統(tǒng)加壓，分級(jí)加載，以0.1 MPa為一級(jí)，每級(jí)荷載穩(wěn)壓5 min[18]，采用DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試采集系統(tǒng)采集各應(yīng)變片的數(shù)據(jù)，并安排專(zhuān)業(yè)人員仔細(xì)觀(guān)察保護(hù)層混凝土裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在加載初期，內(nèi)水壓較小，BCCP整管受力均勻，保護(hù)層未出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫.當(dāng)內(nèi)水壓加載至1.6 MPa時(shí)，距離承口端1 700 mm處保護(hù)層出現(xiàn)第一條微小裂縫，裂縫長(zhǎng)度為160 mm，說(shuō)明保護(hù)層開(kāi)始開(kāi)裂，內(nèi)水壓1.6 MPa即為BCCP的初裂荷載.

隨著內(nèi)水壓的繼續(xù)增加，1.7 MPa時(shí)出現(xiàn)第2、3條裂縫，第一條裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，裂縫寬度增加.當(dāng)內(nèi)水壓達(dá)到2.0 MPa時(shí)，管身出現(xiàn)多處裂縫，限于加壓設(shè)備能力以及出于安全考慮，最終加壓至2.5 MPa，BCCP的承載能力明顯高于2.5 MPa，圖6給出了一半管身保護(hù)層裂縫分布擴(kuò)展示意圖，旁邊的數(shù)字代表裂縫出現(xiàn)或擴(kuò)展時(shí)刻的加載內(nèi)水壓值.由于試驗(yàn)管承口朝下，插口朝上，往加載裝置上安裝時(shí)第一次沒(méi)有成功，又將管拔起進(jìn)行第二次安裝，所以在試驗(yàn)前底部承口處出現(xiàn)了7、8處微小的裂縫，這些裂縫也在圖6中進(jìn)行了標(biāo)記，即圖中承口處內(nèi)水壓值為0時(shí)的裂縫.

圖6 一半管身保護(hù)層裂縫擴(kuò)展示意

Fig.6 Schematic diagram of crack propagation in protective cover of half-length pipe

2.2 內(nèi)水壓-應(yīng)變分析

2.2.1 混凝土保護(hù)層應(yīng)變變化規(guī)律

圖7給出了內(nèi)水壓作用下混凝土保護(hù)層應(yīng)變變化曲線(xiàn)，由于保護(hù)層比較粗糙，涂抹環(huán)氧樹(shù)脂不均勻，以及試驗(yàn)是在空曠的室外進(jìn)行的，外界因素影響顯著，選取3個(gè)變化規(guī)律較好的測(cè)點(diǎn)P-1、P-2和P-5進(jìn)行分析.由曲線(xiàn)可以看出，在內(nèi)水壓1.5 MPa之前，應(yīng)變基本穩(wěn)步增大，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變結(jié)果基本一致.當(dāng)內(nèi)水壓達(dá)到1.6 MPa，測(cè)點(diǎn)P-1和P-5達(dá)到其最大拉應(yīng)變，后續(xù)的采集中P-1測(cè)點(diǎn)采集狀態(tài)顯示“溢出”，原因是裂縫剛好出現(xiàn)在應(yīng)變片所粘貼的位置，應(yīng)變片發(fā)生破壞.內(nèi)水壓繼續(xù)增加，測(cè)點(diǎn)P-5的應(yīng)變出現(xiàn)下降，因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)附近發(fā)生開(kāi)裂，應(yīng)力得到釋放，后期隨著內(nèi)水壓的增加，裂縫持續(xù)擴(kuò)展，應(yīng)變下降.測(cè)點(diǎn)P-2處保護(hù)層相對(duì)測(cè)點(diǎn)P-1和P-5開(kāi)裂較晚，內(nèi)水壓2.1 MPa時(shí)達(dá)到最大拉應(yīng)變，隨后附近發(fā)生開(kāi)裂，應(yīng)變隨內(nèi)水壓的增加而下降.根據(jù)表2，保護(hù)層抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?36 με，本次試驗(yàn)中測(cè)點(diǎn)P-2對(duì)應(yīng)的最大抗拉應(yīng)變?yōu)?47 με，兩者吻合良好，而測(cè)點(diǎn)P-1和P-5所采集的最大抗拉應(yīng)變僅為106 με和119 με，原因是采用分級(jí)加載和靜態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)，有別于動(dòng)態(tài)采集系統(tǒng)，兩測(cè)點(diǎn)加載過(guò)程中的最大拉應(yīng)變可能在施加某一級(jí)內(nèi)水壓的過(guò)程中產(chǎn)生，靜態(tài)采集系統(tǒng)難以測(cè)得.

圖7 內(nèi)水壓-混凝土保護(hù)層應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

Fig.7 Internal water pressure-strain curve of concrete protective cover

根據(jù)彈性力學(xué)中圓環(huán)或圓筒內(nèi)部受均布?jí)毫碚揫20]，內(nèi)表面的受拉應(yīng)力應(yīng)為最大，BCCP混凝土管芯內(nèi)表面應(yīng)該最先受拉開(kāi)裂.而在承受內(nèi)水壓過(guò)程中，混凝土保護(hù)層先于混凝土管芯發(fā)生開(kāi)裂破壞.因?yàn)樵谥圃鞎r(shí)，混凝土管芯成型后纏繞預(yù)應(yīng)力鋼筋使其受到一個(gè)初始的預(yù)壓應(yīng)力，而纏筋后才澆筑最外面的混凝土保護(hù)層，使得保護(hù)層不受任何力的作用.所以當(dāng)BCCP開(kāi)始承受內(nèi)水壓時(shí)，保護(hù)層直接承受拉力，而混凝土管芯初始的受壓應(yīng)力會(huì)抵消一部分內(nèi)水壓，所以加載過(guò)程中管芯混凝土和埋置在管芯中的鋼筒先受壓后受拉.

2.2.2 鋼筒應(yīng)變變化規(guī)律

鋼筒加工完成后即在表面粘貼應(yīng)變片，但由于鋼筒是埋置在混凝土管芯里，澆注管芯時(shí)需要振搗，振搗使得部分鋼筒上的應(yīng)變片失效，且纏筋時(shí)鋼筒和混凝土管芯一起旋轉(zhuǎn)，未進(jìn)行纏筋過(guò)程中鋼筒應(yīng)變的測(cè)量，最終施加內(nèi)水壓時(shí)才開(kāi)始測(cè)量鋼筒的應(yīng)變，且加壓過(guò)程中僅有C-4測(cè)點(diǎn)采集到了有效的應(yīng)變數(shù)據(jù)，其內(nèi)水壓-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示.由曲線(xiàn)可以看出，鋼筒應(yīng)變隨內(nèi)水壓變化呈現(xiàn)明顯的兩階段變化趨勢(shì)，內(nèi)水壓2.1 MPa所測(cè)得的應(yīng)變?yōu)閮呻A段的拐點(diǎn)，且兩階段應(yīng)變隨內(nèi)水壓的增大均基本呈線(xiàn)性增長(zhǎng).當(dāng)內(nèi)水壓大于2.1 MPa時(shí)，內(nèi)水壓每升高0.1 MPa，應(yīng)變?cè)黾拥姆纫葍?nèi)水壓小于2.1 MPa時(shí)要大.由于混凝土保護(hù)層比較薄，保護(hù)層開(kāi)裂在鋼筒應(yīng)變變化曲線(xiàn)上反應(yīng)不明顯，說(shuō)明BCCP承受內(nèi)水壓主要依靠混凝土管芯以及預(yù)應(yīng)力鋼筋，拐點(diǎn)2.1 MPa對(duì)應(yīng)于混凝土管芯開(kāi)裂的前一級(jí)內(nèi)水壓，即內(nèi)水壓2.2 MPa時(shí)，管芯發(fā)生開(kāi)裂.

圖8 內(nèi)水壓-鋼筒應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)得的鋼筒應(yīng)變并不是鋼筒的真實(shí)應(yīng)變，因?yàn)殇撏沧鳛楣苄镜囊徊糠郑跏技词艿嚼p繞預(yù)應(yīng)力鋼筋所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力.真實(shí)的應(yīng)變是初始受壓應(yīng)變和試驗(yàn)測(cè)得應(yīng)變結(jié)果的疊加.纏筋后各部分預(yù)壓應(yīng)力可參考文獻(xiàn)[17-18]進(jìn)行計(jì)算，如式(2)所示.

(2)

式中：fic為管芯混凝土初始預(yù)應(yīng)力，壓縮為負(fù)，拉伸為正，下同，fiy為鋼筒初始預(yù)應(yīng)力，fis為預(yù)應(yīng)力鋼筋初始應(yīng)力，As為預(yù)應(yīng)力鋼筋總面積，Ac為管芯混凝土面積，不包括鋼筒面積，Ay為鋼筒面積，fse為預(yù)應(yīng)力鋼筋有效張拉應(yīng)力，ns為預(yù)應(yīng)力鋼筋與管芯混凝土的彈性模量比，ny為鋼筒與管芯混凝土彈性模量比.

纏繞預(yù)應(yīng)力鋼筋后，不可避免會(huì)發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失，預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算參考文獻(xiàn)[21]中的相關(guān)規(guī)定，考慮鋼筋應(yīng)力松弛引起的環(huán)向預(yù)應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失和混凝土彈性壓縮引起的環(huán)向預(yù)應(yīng)力損失.經(jīng)過(guò)計(jì)算，本試驗(yàn)管總預(yù)應(yīng)力損失為128 MPa，則預(yù)應(yīng)力鋼筋有效張拉應(yīng)力為340 MPa.根據(jù)式(2)進(jìn)一步計(jì)算，相應(yīng)的管芯混凝土的初始預(yù)應(yīng)力fic為-7.4 MPa，鋼筒初始預(yù)應(yīng)力fiy為-57.4 MPa，鋼筋初始應(yīng)力fis為284.0 MPa.依據(jù)表2中的相關(guān)材料參數(shù)，鋼筒初始?jí)簯?yīng)變?yōu)?73 με.試驗(yàn)測(cè)得的鋼筒在內(nèi)水壓2.5 MPa下的受拉應(yīng)變?yōu)? 004 με，減去初始受壓應(yīng)變后為731 με，遠(yuǎn)小于鋼筒拉伸屈服強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)變1 119 με，說(shuō)明內(nèi)水壓2.5 MPa下鋼筒并未發(fā)生屈服，從應(yīng)變曲線(xiàn)中鋼筒應(yīng)變隨內(nèi)水壓增長(zhǎng)依然呈線(xiàn)性關(guān)系上也可以得到驗(yàn)證.

2.2.3 鋼筋應(yīng)變變化規(guī)律

圖9給出了內(nèi)水壓作用下預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)變變化曲線(xiàn).從曲線(xiàn)中可以看出，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)基本相當(dāng).在內(nèi)水壓達(dá)到1.5 MPa之前，隨著內(nèi)水壓的增大，應(yīng)變基本穩(wěn)步增大；當(dāng)內(nèi)水壓在1.5 MPa與2.1 MPa之間，鋼筋應(yīng)變隨內(nèi)水壓的增加依然呈線(xiàn)性增加，內(nèi)水壓每增加0.1 MPa，應(yīng)變?cè)黾拥姆容^內(nèi)水壓在0～1.5 MPa時(shí)要大.內(nèi)水壓繼續(xù)增加到2.1 MPa后，3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變隨著內(nèi)水壓增大依然呈現(xiàn)穩(wěn)步增加的趨勢(shì)，每增加0.1 MPa，應(yīng)變?cè)黾拥姆容^0～1.5 MPa和1.5 MPa～2.1 MPa要大.從曲線(xiàn)可以明顯看出，應(yīng)變隨內(nèi)水壓增大的發(fā)展呈現(xiàn)一個(gè)三階段的變化趨勢(shì)，1.5 MPa為第一階段與第二階段的拐點(diǎn)，2.1 MPa為第二階段與第三階段的拐點(diǎn).結(jié)合前面混凝土保護(hù)層以及鋼筒的內(nèi)水壓應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，保護(hù)層的開(kāi)裂內(nèi)壓是1.6 MPa，混凝土管芯的開(kāi)裂內(nèi)壓為2.2 MPa，分別對(duì)應(yīng)鋼筋應(yīng)變曲線(xiàn)中兩個(gè)拐點(diǎn)處的下一級(jí)內(nèi)水壓.

圖9 內(nèi)水壓-鋼筋應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

同樣，試驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)得的鋼筋應(yīng)變數(shù)據(jù)并不是鋼筋真實(shí)的應(yīng)變，因?yàn)殇摻钣幸粋€(gè)初始拉應(yīng)力.根據(jù)前文計(jì)算的鋼筋初始張拉應(yīng)力為284.0 MPa，則對(duì)應(yīng)的初始拉應(yīng)變?yōu)? 385 με，試驗(yàn)中內(nèi)水壓2.5 MPa下，測(cè)得的鋼筋最大拉應(yīng)變?yōu)?97 με，疊加后總的拉應(yīng)變?yōu)? 382 με，遠(yuǎn)小于鋼筋屈服強(qiáng)度650 MPa對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)變3 137 με，鋼筋沒(méi)有發(fā)生屈服破壞，整管還可以承受更大的內(nèi)水壓.

GB/T 19685-2017[18]中規(guī)定成品管PCCP需在控制開(kāi)裂標(biāo)準(zhǔn)組合條件下進(jìn)行抗裂內(nèi)壓檢驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)壓大小按式(3)計(jì)算，要求在該檢驗(yàn)內(nèi)壓下，管體不得出現(xiàn)爆裂、局部凸起或出現(xiàn)其他滲漏現(xiàn)象，管體預(yù)應(yīng)力區(qū)水泥砂漿保護(hù)層不應(yīng)出現(xiàn)任何裂縫或其他剝落現(xiàn)象.

(3)

式中：Pt為抗裂內(nèi)壓檢驗(yàn)荷載，As為每米管子長(zhǎng)度環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲面積，fse為環(huán)向鋼筋最終有效預(yù)加應(yīng)力，An為每米管子長(zhǎng)度管壁截面管芯混凝土、鋼筒、鋼筋及砂漿保護(hù)層折算面積；α為控制砂漿開(kāi)裂系數(shù)，對(duì)PCCP-E為1.06，對(duì)PCCP-L為0.65，ftk為管芯混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，b為管子軸向計(jì)算長(zhǎng)度，數(shù)值為1 000 mm，r0為管壁截面計(jì)算半徑.

BCCP與PCCP結(jié)構(gòu)型式類(lèi)似，選取文獻(xiàn)[5]中內(nèi)徑4 000 mm的超大口徑PCCP與本文研究的BCCP進(jìn)行對(duì)比分析，該P(yáng)CCP管芯厚度300 mm，采用直徑為6 mm的1 570 MPa高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼絲，纏絲間距14.30 mm，將其內(nèi)水壓承載結(jié)果與本文研究的3種不同管徑BCCP的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)計(jì)算及匯總，兩種管型的抗裂內(nèi)壓檢驗(yàn)荷載計(jì)算結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)保護(hù)層開(kāi)裂內(nèi)水壓、管芯開(kāi)裂內(nèi)水壓和極限內(nèi)水壓試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.

表3 抗裂內(nèi)壓計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果

3種管徑的BCCP試驗(yàn)管設(shè)計(jì)工壓都為1.0 MPa，而抗內(nèi)壓檢驗(yàn)荷載計(jì)算結(jié)果分別為1.42 MPa、1.47 MPa和1.49 MPa，均比設(shè)計(jì)工壓要大，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)層開(kāi)裂的內(nèi)水壓試驗(yàn)結(jié)果也比設(shè)計(jì)工壓大0.5 MPa～0.6 MPa，說(shuō)明設(shè)計(jì)工壓下BCCP各層結(jié)構(gòu)均處于彈性階段，具有一定的安全儲(chǔ)備.

兩種管型的抗裂內(nèi)壓檢驗(yàn)荷載計(jì)算結(jié)果都比保護(hù)層開(kāi)裂內(nèi)水壓試驗(yàn)結(jié)果要小，說(shuō)明兩種管型的抗內(nèi)水壓能力檢驗(yàn)都是合格的，其中管徑1 800 mm的BCCP管芯開(kāi)裂內(nèi)水壓試驗(yàn)值比保護(hù)層開(kāi)裂時(shí)的內(nèi)水壓值高0.6 MPa，而管徑4 000 mm的PCCP中兩者的差值僅為0.2 MPa.分析原因，首先BCCP中細(xì)石混凝土保護(hù)層的厚度為60 mm，而PCCP中砂漿保護(hù)層的厚度僅為27 mm，BCCP中保護(hù)層對(duì)整管剛度的貢獻(xiàn)更大；另外管徑1 800 mm的BCCP中每米管子長(zhǎng)度環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲面積為3 768 mm2，而管徑4 000 mm的PCCP中每米管子長(zhǎng)度環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲面積為1 978 mm2，BCCP的配筋率要高，即預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)整管剛度的貢獻(xiàn)比PCCP要大.綜上所述，BCCP中管芯開(kāi)裂時(shí)的內(nèi)水壓與保護(hù)層開(kāi)裂時(shí)的內(nèi)水壓的差值要比PCCP的大一些，BCCP的安全儲(chǔ)備更為豐富.

2.3 破壞全過(guò)程分析

以?xún)?nèi)徑1 800 mm的埋置式BCCP為例，從生產(chǎn)時(shí)施加預(yù)應(yīng)力到承受內(nèi)水壓至最終破壞的過(guò)程可分為以下5個(gè)階段，如圖10所示：1)管芯受預(yù)應(yīng)力鋼筋環(huán)向作用力階段，如圖10(a)所示.帶鋼筒的混凝土管芯成型后受到纏繞預(yù)應(yīng)力鋼筋所產(chǎn)生的初始預(yù)壓應(yīng)力，可以抵消部分內(nèi)水壓，經(jīng)計(jì)算混凝土的初始預(yù)壓應(yīng)力為7.4 MPa，鋼筒的初始預(yù)壓應(yīng)力為57.4 MPa，鋼筋的初始拉應(yīng)力為284.0 MPa，充分發(fā)揮了混凝土受壓，鋼絲受拉的特性，提高了整管的承載能力；2)保護(hù)層開(kāi)裂前整管承受內(nèi)水壓彈性階段，如圖10(b)所示.當(dāng)內(nèi)水壓小于1.6 MPa的時(shí)候，整管都處于彈性狀態(tài)，管芯依然受壓，而預(yù)應(yīng)力鋼筋和外混凝土保護(hù)層受拉；3)保護(hù)層開(kāi)裂，混凝土管芯承受內(nèi)水壓彈性階段，如圖10(c)所示.當(dāng)內(nèi)水壓加載到1.6 MPa后，保護(hù)層達(dá)到了其極限抗拉強(qiáng)度，首先開(kāi)裂，此時(shí)的內(nèi)水壓為BCCP的初裂荷載，混凝土管芯也逐漸從初始的受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?，但依然處于彈性狀態(tài)；4)管芯開(kāi)裂后鋼筒和鋼筋受拉彈性階段，如圖10(d)所示.隨著內(nèi)水壓的進(jìn)一步增大，達(dá)到2.2 MPa后，管芯混凝土開(kāi)始開(kāi)裂并很快徑向裂穿，鋼筒和鋼筋的應(yīng)力迅速增大；5)管道破壞階段，如圖10(e)所示.鋼筒和鋼筋相繼達(dá)到屈服強(qiáng)度235 MPa和650 MPa后，整管將喪失承載力發(fā)生破壞.從試驗(yàn)過(guò)程以及試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，本次試驗(yàn)的BCCP經(jīng)歷了上述2)～4)3個(gè)階段，由于試驗(yàn)設(shè)備和安全因素考慮，沒(méi)有加載到管道最終破壞階段.

圖10 BCCP內(nèi)水壓作用下破壞全過(guò)程

3 結(jié) 論

本文通過(guò)3根不同管徑的埋置式BCCP內(nèi)水壓原型試驗(yàn)，得到了各自的初裂內(nèi)壓，并且在內(nèi)徑1 800 mm的BCCP制作過(guò)程中預(yù)先埋置應(yīng)變片，得到了鋼筒、預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土保護(hù)層應(yīng)變隨內(nèi)水壓的變化曲線(xiàn)，最后總結(jié)出了BCCP承受內(nèi)水壓的破壞規(guī)律.

初始狀態(tài)下，張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋使混凝土管芯受壓，而保護(hù)層不受任何作用；當(dāng)內(nèi)水壓在0～1.5 MPa時(shí)，整管處于彈性狀態(tài)，各部分變形協(xié)調(diào)一致；內(nèi)水壓達(dá)到1.6 MPa后，保護(hù)層開(kāi)始開(kāi)裂，而混凝土管芯和預(yù)應(yīng)力鋼筋依然處于彈性狀態(tài)；內(nèi)水壓繼續(xù)增大至2.2 MPa后，混凝土管芯由內(nèi)向外徑向開(kāi)裂，鋼筋和鋼筒應(yīng)力迅速增大，最終加載至2.5 MPa，鋼筒和鋼筋還沒(méi)有達(dá)到屈服強(qiáng)度.

管徑1 400 mm、1 600 mm和1 800 mm的BCCP試驗(yàn)開(kāi)裂內(nèi)壓分別為1.5 MPa、1.6 MPa和1.6 MPa，根據(jù)規(guī)范計(jì)算的抗裂內(nèi)壓檢驗(yàn)荷載分別為1.42 MPa，1.47 MPa和1.49 MPa，設(shè)計(jì)的工作內(nèi)壓都為1.0 MPa，設(shè)計(jì)是安全的，具有一定的安全儲(chǔ)備，充分發(fā)揮了組合結(jié)構(gòu)中混凝土抗壓、鋼筋抗拉和鋼筒抗?jié)B的優(yōu)越性能.BCCP可作為PCCP的升級(jí)替代產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外的輸調(diào)水工程中推廣使用.